聚合物太阳能电池中载流子复合与传输机制及器件特性的研究

【摘要】摘要：聚合物太阳能电池中的物理过程对器件效率的提升具有重要的指导意义,在聚合物：富勒烯器件中,载流子复合、传输及收集的分析对其光伏特性的改善是十分重要的；复合过程中给体受体界面处的电荷转移态(ChargeTransferState,CTS)复合与器件的开路电压(Voc)及短路电流(Jsc)直接相关；活性层与电极之间的界面修饰可以改善载流子的传输与收集,从而提高器件特性。本论文中,首先通过外量子效率光谱响应(EQE)及电致发光(EL)探测了聚合物太阳能电池的电荷转移态吸收与复合发光,发现除了给体材料和受体材料的EQE及EL特征外,出现了更低能量的CTS特征响应,且此CTS特征响应与给体材料和受体材料各自的最高占有轨道(HOMO)及最低未占有轨道(LUMO)能级差的变化趋势通常是相一致的。另外,利用精细平衡理论,研究了电荷转移态响应中EQE与EL的联系,通过EL光谱理论计算而得的EQE曲线与实际测量的曲线相吻合。随后通过电荷转移态EQE及EL计算了器件的理论开路电压值,计算的开路电压结果与实际测量的有一定差距,在0.3～0.45V之间,但是已经与实际结果接近。通过电致发光外量子效率(QLED)及特征能量(Ech)对开路电压的计算进行了修正,使得计算结果与实验值最大偏差缩小到0.15V左右。研究了不同外加电压(注入电流)下,器件CTS复合EL峰值位置的变化,发现实际测量到的EL峰值位置随注入电流的变化比理论分析值要小。其可能的原因为,靠近准费米能级处低能态的载流子不容易移动,需要通过去陷(detrapping)过程,抬高其中的一个电子或者空穴到更高的载流子可以自由移动的能级,移动之后与另外相应的载流子复合而发光。借助于电容-电压测试,研究了缓冲层对聚合物太阳能电池中载流子传输与复合的影响。介绍了聚合物太阳能电池中的电容-电压(C-V)特性,并从载流子传输及界面势垒两方面分析了其对C-V曲线的影响。研究了Mo03及NPB修饰层对器件特性的影响,适当厚度的修饰层可以改善器件的载流子传输和减小界面注入势垒,从而提高器件的短路电流及开路电压。过厚的修饰层增加器件串联电阻,阻挡载流子的注入与收集,引起载流子在器件内的大量复合。借助C-V测试研究了修饰层对载流子复合及收集的影响,适当厚度的修饰层改善载流子收集。初步研究了器件Voc与VCmax之间的关系,通过理论分析及实验我们发现,器件的Voc表示器件中的载流子复合与产生相等,VCmax表示载流子的复合超过电子在给体材料LUMO状态密度函数的积累,两者大小接近但存在差异。研究了聚合物太阳能电池中的界面复合及对器件特性的影响。首先,对比了双层结构与体异质结结构器件的J-V及QLED随注入电流的变化。由于双层结构不利于激子的解离,所以短路电流较体异质结的都小。研究了载流子迁移率对QLED的影响,实验发现材料的载流子迁移率越高,越可能发生电子与空穴在金属电极处的猝灭。初步研究了器件Jsc与QLED的关系,电荷转移态电致发光的QLED代表了电子空穴的复合程度,复合程度越小,被外电路所收集的载流子越多,EQE的值就会大,器件的短路电流越高(在不考虑材料的光响应范围的话)。值得注意的是,对于开路电压而言,需要器件中的辐射发光占全部复合过程比例越多越好,即希望大的QLED,但是对于器件的短路电流而言,需要器件中的载流子复合尽可能小,即小的QLED,所以对于器件的QLED,存在最佳值。
【作者】龚伟；
【导师】徐征；
【作者基本信息】北京交通大学，光学工程，2014，博士
【关键词】聚合物太阳能电池；电荷转移态复合；界面修饰；载流子传输与复合；电容-电压特性；

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